赛默飞|过程分析技术（PAT）在生物制药技术中的应用

引言

在生物制药领域，发酵技术一直以来都占据着重要地位；在日常生活中应用生物发酵技术生产而来医药用品也随处可见。发酵技术在医药生产和人类健康研究领域中的不断应用与突破，使得诸多药品得以问世，例如：抗生素、疫苗、激素和用于抗癌疗法的药物等。

过程质谱仪与生物发酵

发酵过程中细胞及微生物的健康状况决定了所加入营养物质的转化率，而通过对培养过程中发酵所产生的气体组分和浓度进行检测，可以获取表征细胞代谢的关键参数。这些关键参数的变化能够直接反映发酵细胞的生理状态，有助于及时调整发酵工艺中的参数而提高生产效率。因此，利用过程质谱仪对细胞及微生物培养过程尾气组分进行分析是监测工艺过程中细胞及微生物代谢状态变化和提高生产效率的有效方法。

增加利润的关键在于

降低整个生产过程中的风险

过程质谱分析法具有足够的速度和精度，保证其能够可靠地追踪生产工艺动态，以确保及时纠正措施的实施。过程质谱分析法适用于从研发到获得最终产品的整个过程，有助于将产品更快地推向市场，提高产量并增加利润，从而实现快速的投资回报。

在生物技术中使用过程

质谱分析法的5个理由

*一图了解Thermo Scientific™ Prima 系列过程质谱仪是怎样从监测→识别→工艺优化→软件→扩展性等方面对整个发酵过程进行全方位快速精确的实时跟踪及有效控制的。

如何提升对生物制药工艺的理解，从而提高工艺效率？赛默飞世尔科技Prima系列过程质谱分析技术来支招！

今年3月，赛默飞化学分析在官微上发布了一场有关在线分析技术PAT与生物工艺的网络研讨会，介绍了在线分析技术PAT在生物发酵工艺优化与放大中的应用，会议反响热烈。

贴心的小编还特地为大家准备了一份超详细的针对这款产品的Q&A~（常见问题与解答）一起来康康吧！

关于Prima PRO在线质谱仪的

常见问题和解答

Q:Prima PRO在线质谱仪是如何工作的？

答：质谱仪通过电离中性的样品气体分子来工作，并且根据分子量分离所得的带电粒子组分。在大多数商业气体分析质谱仪中，通过用热灯丝产生的电子束轰击气体样品来实现电离。为了防止自由碰撞，各种离子在真空中分离。Prima PRO在线质谱仪是一款高效过程气体分析仪，基于功能强大且灵活的扫描磁性扇质谱仪进行在线气体成分分析。该设备旨在提供卓越的分析性能，具有高度可靠性和最低维护要求。

Q:Prima PRO在线质谱仪的应用领域有哪些？

答：Prima PRO在线质谱仪的推荐用途：

l发酵工艺

l细胞培养工艺

l溶剂干燥

l钢铁工艺

l乙烯、氨、氢工厂

l环氧乙烷、甲醇、聚乙烯/聚丙烯

l催化研究

l煤气化和煤化工

Q:Prima PRO在线质谱仪是否能够监测多个样品流路?

答：大多数Prima PRO在线质谱仪都配备了一个快速多流路进样器（RMS），这是一种高度可靠的设备，可在不影响分析仪样品质量的情况下切换样品流。RMS以其坚如磐石的可靠性而闻名，经多年的实际应用证明，它每年可以切换流路数百万次，几乎不需要维护。

Q: Prima PRO在线质谱仪是否有助于简单生物反应器的控制?

答：与传统的小分子合成相比，生物过程往往非常复杂。每个细胞每秒能够进行数千次化学反应，并且通常只有一次反应会产生目标分子。反应如何进行将取决于许多因素，如温度，营养物质可用性，累积废物的总量，氧气的可用性，促进反应的酶浓度以及合成蛋白质的氨基酸组件。使用简单的发酵罐，在灭菌后加载生长培养基，并用细胞接种液体培养基。保持相对稳定的吹气流速和搅拌叶轮旋转速度，以确保整个培养基中足够的可用氧气。一旦细胞开始繁殖，通过冷却水除去过量的热量，并使用酸性和碱性试剂调节pH。

连续监测溶解氧（DO2）并进行手动分析以评估细胞密度和底物配比。如果溶解氧（DO2）低于预先设定的水平，可以通过打开氧气阀一小段时间来额外注入氧气。在哺乳动物细胞培养中，类似的控制方法也可用于监测溶解的二氧化碳（DCO2）。

统计过程控制（SPC）工具用于确定工艺是否按照合适的轨迹即是否基于手动输入的实验室测定数据设置。这些数据也被用于确定适当的收获时间。在某些情况下，批次之间的差异可能很大，甚至出现一个数量级的差异。对于药品生产，如果回收的活性药物成分（API）低于某一质量标准，则整批产品必须废弃。显然，Prima PRO在线质谱仪高度可靠的在线过程分析技术（PAT），为实验室人员提供了所急需的工具以实现显著提升产品质量和增加利润率的目标。

Q: Prima PRO是否能实时追踪批次进程?

答：大多数用于生物工艺生产的细菌在生长和分裂之前需要水，碳，氮和能量来源，以及温度，pH和气体要求。复杂的生长培养基可以提供营养物质，该培养基可能包括许多天然有机物，或者当使用天然培养基因批次间差异将产生问题时，可将限定化学成分培养基用于生产工艺过程。两种类型的培养基都被设计成能够提供最合适的营养物质浓度，以促进细胞以对数快速生长，直到达到目标细胞密度。此时，主要碳源完全消耗，以迫使细胞切换到促进产品形成的次级碳源。加入合适的添加剂以抑制或诱导特定的代谢途径，促进目标产物形成的最大化和有毒副产物积累的最小化。

工艺开发的典型情况是使用容量在1到10升（L）范围内的多个台式生物反应器或发酵罐。各种培养基配方与不同细胞系配对以确定最稳定和有效的组合。一旦确定了最佳候选分组，该工艺将按比例放大到200L规模（中试规模），此时需要对潜在的控制变量进行充分的测试，以确定允许的范围和效力。除pH，温度，搅拌速度RPM，DO2和DCO2外，潜在的控制变量还包括：营养物质进料速率，背压，覆盖气体组成，吹气的组成和流速。

有必要实时监测培养基的化学性质或生物反应器尾气的气体组成，以便实时控制营养物质进料和气体浓度。随后可以使用基于模型的高级工艺控制技术对这些附加控制变量进行调整，以响应某些输出变量的测量值变化。傅里叶变换近红外（FT-NIR）光谱技术适合于测量液体浓度。用于进行气体浓度测量的最佳技术是磁性扇区质谱仪，它是Prima PRO在线质谱仪的关键组件，可以显著提高分析器的功能和灵活性。

Q :Prima PRO在线质谱仪是否使用动态建模？

答：最常用的测定细胞量，产物浓度（效价）和底物浓度的方法都依赖于微分方程的使用。这些“状态方程”是共生的，必须同时求解，以便根据初始条件和实时测量值得到有效结果。初始条件包括底物的初始质量（主要碳源），起始细胞量和培养基体积。实时测量包括氧气吸收率（OUR），二氧化碳释放率（CER），呼吸商（RQ）和溶解氧。通常将模型的输出结果与一个“黄金批次”的已知轨迹进行比较，以追踪每批次的生产进度，该黄金批次为最佳产品组成提供理想的概况。通过该方法学考察，确保生产中的限制条件和/或污染可以被生产人员尽快识别和纠正。

Q: Prima PRO在线质谱仪使用了哪些先进的控制技术？

答：有几种新兴的先进方法用于实现模型预测控制（MPC），包括形式（确定性的）模型和人工神经网络（ANN）的混合组合。从本质上讲，ANN模型弥补了第一性原理分析失败的差距。ANN得名于它们的结构基于相互连接的节点层，其结构与大脑神经元相似。这些神经网络往往基于以往性能进行建模。

大量实验数据样本集表明，实验结论的产出是过程变量落在一定范围内的结果。虽然可能很难对这种关联做出正式解释，但这些关系仍可用于工艺控制。Prima PRO在线质谱仪可以对生物反应器尾气进行深入分析，并随后提供形成这些神经网络所需的数据。其他数学建模技术包括主成分分析（PCA）和偏最小二乘（PLS）回归，这两者都是用于研究大数据集的模式和关系的数学程序。Prima PRO在线质谱仪促进数据整理，是成功实现MPC的关键组成部分。

Q: Prima PRO在线质谱仪需要多长时间才能获得测量结果?

答：通过软件设置测量气流中每种成分浓度所花费的时间，可以根据样品点的数量和被监测的每个过程的动态特性来实现速度和精度之间的权衡。测量氮气，氧气，氩气和二氧化碳的常规分析时间为5秒，另外还有3秒钟用于测量甲醇和乙醇（例如）。此外，加上5秒的冲洗时间，每个流的总分析时间为10秒（或包含甲醇和乙醇的时间为13秒）。由于哺乳动物细胞培养的进展比微生物发酵慢，因此可以比发酵罐更精确且更少频次地监测生物反应器。

Q: Prima PRO在线质谱仪可以计算呼吸商（RQ）吗?

答：从尾气分析计算得到的最重要变量是呼吸商（RQ）。它是发酵和细胞培养中存在的两种不同类型活动的函数：生长和维持。RQ定义为二氧化碳释放率（CER）除以摄氧率（OUR）。Prima PRO在线质谱仪可以及时估算RQ，以用于确定当前的代谢活动，并可能对某些变量进行闭环控制，包括葡萄糖进料速率（GFR）。

Q: Prima PRO在线质谱仪可以监控Kla吗?

答：由Prima PRO在线质谱仪释放的吹气和反应器尾气的氧气浓度被发送到过程控制计算机。将该数据与流量测量结果结合，再乘以批次容量，可以计算培养物的氧摄取结果。摄氧率（OUR）的实时计算通常用于确定种子罐中的活细胞密度，从而能够确定适当的接种时间。

使用Prima PRO在线质谱仪测量摄氧率，可以进行连续的kLa估算。随着发酵液粘度的变化，氧气质量转移也将发生变化。在转向中试规模之前，微生物学家需要了解这种关系。一旦理解了kLa的动态特性，就可以使用与正常轨迹的偏差来检测和校正DO2探针漂移。通过监测kLa的变化，Prima PRO在线质谱仪使实验人员能够更轻松地控制搅拌速度RPM，吹气流量和吹气氧气浓度等参数。

ThermoScientific™Prima Pro在线质谱仪

*上图为Thermo Scientific™ Prima Pro 在线质谱仪

Prima Pro在线质谱仪专为满足石化、钢铁以及生物技术领域的广泛苛刻过程应用而设计。不仅高度可靠且易于使用，能够提供更快、更完整、实验室质量的在线气体成分分析。

超过30年的行业经验表明，该分析仪在发酵气体分析方面的性能最佳，该质谱仪具有测量精度高、抗干扰能力强、检定间隔时间长等优点，这在发酵过程中的监测具有很大优势。

Thermo Scientific™

Prima BT 过程开发质谱仪

*上图为Thermo Scientific™Prima BT 过程开发质谱仪

Thermo Scientific™ Prima BT 过程开发质谱仪可提供高扫描速度和可重现的测量。此过程气体分析仪专为实验室的过程开发应用而设计，是高度精确的多端口扇形磁场质谱仪，用于气体浓度分析。

在样品气体和挥发气体可能会污染内部真空部件的情况下，Prima BT 质谱仪也能发挥出色的性能。由于离子是在高能量作用下从离子源中释出，因此对于低分子量化合物（例如氢和氦）也能提供出色的稳定性。

Thermo Scientific™ Prima BT 过程开发质谱仪是基于扫描扇形磁场质谱法的工业实验室气体分析仪。Prima BT 质谱仪专为实验室环境下的连续操作而设计，易于操作和维护。

Prima系列过程质谱仪可监测生物技术应用（包括生物能源、维生素生产、食品添加剂和热量测定）中存在的气体和挥发物。使用赛默飞世尔科技的Prima BT台式质谱仪在最前沿的研究实验室优化生化过程，或使用赛默飞世尔科技的Prima PRO过程质谱仪帮助确保工厂的批量生产。